三效蒸發(fā)器的設(shè)計(jì)化工原理課程設(shè)計(jì)

1、化工原理課程設(shè)計(jì) 字符說(shuō)明- 2 -第一節(jié) 概述- 3 -一蒸發(fā)及蒸發(fā)流程- 3 -二蒸發(fā)操作的分類- 3 -三蒸發(fā)操作的特點(diǎn)- 3 -四、蒸發(fā)設(shè)備- 4 -五、蒸發(fā)器選型- 4 -第二節(jié) 蒸發(fā)裝置設(shè)計(jì)任務(wù)- 5 -一、設(shè)計(jì)題目- 5 -二、設(shè)計(jì)任務(wù)及操作條件- 5 -第三節(jié) 三效蒸發(fā)器得工藝計(jì)算- 5 -一、估計(jì)各效蒸發(fā)量和完成液濃度- 5 -二、估計(jì)各效溶液的沸點(diǎn)和有效總溫差- 6 -三 加熱蒸汽消耗量和各效蒸發(fā)水量的計(jì)算- 8 -四、蒸發(fā)器的傳熱面積的估算- 9 -五、有效溫差的再分配- 10 -六、重復(fù)上述計(jì)算步驟- 10 -七、計(jì)算結(jié)果- 12 -第四節(jié) 蒸發(fā)器的主要結(jié)構(gòu)尺寸計(jì)算-

2、12 -一、加熱管的選擇和管數(shù)的初步估計(jì)- 12 -二、循環(huán)管的選擇- 12 -三、加熱室直徑及加熱管數(shù)目的確定- 13 -四、分離室直徑與高度的確定- 13 -五、接管尺寸的確定- 14 -第五節(jié) 蒸發(fā)裝置的輔助設(shè)備- 15 -一、氣液分離器- 15 -二、蒸汽冷凝器- 15 -三 淋水板的設(shè)計(jì)- 16 -【參考文獻(xiàn)】- 17 -字符說(shuō)明 第一節(jié) 概述一蒸發(fā)及蒸發(fā)流程蒸發(fā)是采用加熱的方法，使含有不揮發(fā)性雜質(zhì)（如鹽類）的溶液沸騰，除去其中被汽化單位部分雜質(zhì)，使溶液得以濃縮的單元操作過(guò)程。蒸發(fā)操作廣泛用于濃縮各種不揮發(fā)性物質(zhì)的水溶液，是化工、醫(yī)藥、食品等工業(yè)中較為常見的單元操作?；どa(chǎn)中蒸發(fā)主

3、要用于以下幾種目的：1獲得濃縮的溶液產(chǎn)品；2、將溶液蒸發(fā)增濃后，冷卻結(jié)晶，用以獲得固體產(chǎn)品，如燒堿、抗生素、糖等產(chǎn)品；3、脫除雜質(zhì)，獲得純凈的溶劑或半成品，如海水淡化。進(jìn)行蒸發(fā)操作的設(shè)備叫做蒸發(fā)器。蒸發(fā)器內(nèi)要有足夠的加熱面積，使溶液受熱沸騰。溶液在蒸發(fā)器內(nèi)因各處密度的差異而形成某種循環(huán)流動(dòng)，被濃縮到規(guī)定濃度后排出蒸發(fā)器外。蒸發(fā)器內(nèi)備有足夠的分離空間，以除去汽化的蒸汽夾帶的霧沫和液滴，或裝有適當(dāng)形式的除沫器以除去液沫，排出的蒸汽如不再利用，應(yīng)將其在冷凝器中加以冷凝。蒸發(fā)過(guò)程中經(jīng)常采用飽和蒸汽間壁加熱的方法，通常把作熱源用的蒸汽稱做一次蒸汽，從溶液蒸發(fā)出來(lái)的蒸汽叫做二次蒸汽。二蒸發(fā)操作的分類按操作

4、的方式可以分為間歇式和連續(xù)式，工業(yè)上大多數(shù)蒸發(fā)過(guò)程為連續(xù)穩(wěn)定操作的過(guò)程。按二次蒸汽的利用情況可以分為單效蒸發(fā)和多效蒸發(fā)，若產(chǎn)生的二次蒸汽不加利用，直接經(jīng)冷凝器冷凝后排出，這種操作稱為單效蒸發(fā)。若把二次蒸汽引至另一操作壓力較低的蒸發(fā)器作為加熱蒸氣，并把若干個(gè)蒸發(fā)器串聯(lián)組合使用，這種操作稱為多效蒸發(fā)。多效蒸發(fā)中，二次蒸汽的潛熱得到了較為充分的利用，提高了加熱蒸汽的利用率。按操作壓力可以分為常壓、加壓或減壓蒸發(fā)。真空蒸發(fā)有許多優(yōu)點(diǎn)：（1）、在低壓下操作，溶液沸點(diǎn)較低，有利于提高蒸發(fā)的傳熱溫度差，減小蒸發(fā)器的傳熱面積；（2）、可以利用低壓蒸氣作為加熱劑；（3）、有利于對(duì)熱敏性物料的蒸發(fā)；（4）、操作溫

5、度低，熱損失較小。在加壓蒸發(fā)中，所得到的二次蒸氣溫度較高，可作為下一效的加熱蒸氣加以利用。因此，單效蒸發(fā)多為真空蒸發(fā)；多效蒸發(fā)的前效為加壓或常壓操作，而后效則在真空下操作。三蒸發(fā)操作的特點(diǎn)從上述對(duì)蒸發(fā)過(guò)程的簡(jiǎn)單介紹可知，常見的蒸發(fā)時(shí)間壁兩側(cè)分別為蒸氣冷凝和液體沸騰的傳熱過(guò)程，蒸發(fā)器也就是一種換熱器。但和一般的傳熱過(guò)程相比，蒸發(fā)操作又有如下特點(diǎn) :沸點(diǎn)升高 蒸發(fā)的溶液中含有不揮發(fā)性的溶質(zhì)，在港臺(tái)壓力下溶液的蒸氣壓較同溫度下純?nèi)軇┑恼魵鈮旱?，使溶液的沸點(diǎn)高于純?nèi)芤旱姆悬c(diǎn)，這種現(xiàn)象稱為溶液沸點(diǎn)的升高。在加熱蒸氣溫度一定的情況下，蒸發(fā)溶液時(shí)的傳熱溫差必定小于加熱唇溶劑的純熱溫差，而且溶液的濃度越高，這

6、種影響也越顯著。物料的工藝特性 蒸發(fā)的溶液本身具有某些特性，例如有些物料在濃縮時(shí)可能析出晶體，或易于結(jié)垢；有些則具有較大的黏度或較強(qiáng)的腐蝕性等。如何根據(jù)物料的特性和工藝要求，選擇適宜的蒸發(fā)流程和設(shè)備是蒸發(fā)操作彼此必須要考慮的問(wèn)題。節(jié)約能源 蒸發(fā)時(shí)汽化的溶劑量較大，需要消耗較大的加熱蒸氣。如何充分利用熱量，提高加熱蒸氣的利用率是蒸發(fā)操作要考慮的另一個(gè)問(wèn)題。四、蒸發(fā)設(shè)備   蒸發(fā)設(shè)備的作用是使進(jìn)入蒸發(fā)器的原料液被加熱，部分氣化，得到濃縮的完成液，同時(shí)需要排出二次蒸氣，并使之與所夾帶的液滴和霧沫相分離。   蒸發(fā)的主體設(shè)備是蒸發(fā)器，它主要由加熱室和蒸發(fā)室組成。

7、蒸發(fā)的輔助設(shè)備包括：使液沫進(jìn)一步分離的除沫器，和使二次蒸氣全部冷凝的冷凝器。減壓操作時(shí)還需真空裝置。茲分述如下：  由于生產(chǎn)要求的不同，蒸發(fā)設(shè)備有多種不同的結(jié)構(gòu)型式。對(duì)常用的間壁傳熱式蒸發(fā)器，按溶液在蒸發(fā)器中的運(yùn)動(dòng)情況，大致可分為以下兩大類：（1）循環(huán)型蒸發(fā)器   特點(diǎn)：溶液在蒸發(fā)器中做循環(huán)流動(dòng)，蒸發(fā)器內(nèi)溶液濃度基本相同，接近于完成液的濃度。操作穩(wěn)定。此類蒸發(fā)器主要有   a.中央循環(huán)管式蒸發(fā)器，   b.懸筐式蒸發(fā)器 c.外熱式蒸發(fā)器， d.列文式蒸發(fā)器 e.強(qiáng)制循環(huán)蒸發(fā)器。其中，前四種為自然循環(huán)蒸發(fā)器。（2）單程型蒸發(fā)器

8、   特點(diǎn)：溶液以液膜的形式一次通過(guò)加熱室，不進(jìn)行循環(huán)。  優(yōu)點(diǎn)：溶液停留時(shí)間短，故特別適用于熱敏性物料的  蒸發(fā)；溫度差損失較小，表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)較大。  缺點(diǎn)：設(shè)計(jì)或操作不當(dāng)時(shí)不易成膜，熱流量將明顯下降；不適用于易結(jié)晶、結(jié)垢物料的蒸發(fā)。  此類蒸發(fā)器主要有     a.升膜式蒸發(fā)器，     b.降膜式蒸發(fā)器，     c.刮板式蒸發(fā)器五、蒸發(fā)器選型本次設(shè)計(jì)采用的是中央循環(huán)管式

9、蒸發(fā)器 ：結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：加熱室是由垂直管束組成，管束中央有一根直徑較粗的管子，細(xì)管內(nèi)單位體積溶液受熱面大于粗管的，即前者受熱好，溶液氣化得多，因此細(xì)管內(nèi)汽液混合物的密度比粗管小，這種密度差促使溶液做沿粗管下降而沿細(xì)管上升的連續(xù)規(guī)則的自然循環(huán)運(yùn)動(dòng)。 優(yōu)點(diǎn)：相對(duì)老式蒸發(fā)器而言，具有溶液循環(huán)好、傳熱效率高等優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)由于結(jié)構(gòu)緊湊、制造方便、操作可靠，故應(yīng)用十分廣泛，有“標(biāo)準(zhǔn)蒸發(fā)器”之稱。缺點(diǎn)：由于結(jié)構(gòu)的限制，循環(huán)速度一般在0.4到0.5m/s以下；且由于溶液的不斷循環(huán)，使加熱管內(nèi)的溶液始終接近完成液的組成，故有溶液粘度大、沸點(diǎn)高等缺點(diǎn)；此外，這種蒸發(fā)器的加熱室不易清洗。第二節(jié) 蒸發(fā)裝置設(shè)計(jì)任務(wù)一、設(shè)計(jì)題

10、目NaOH水溶液三效逆流加料蒸發(fā)裝置的設(shè)計(jì)二、設(shè)計(jì)任務(wù)及操作條件1、設(shè)計(jì)任務(wù)（1）處理量能力 35000噸/年NaOH水溶液（2）設(shè)備型式 中央循環(huán)管式蒸發(fā)器2、操作條件A、加料方式為三效逆流加料 B、原料液濃度為10%，完成液濃度為30%，原料液溫度為第一效沸點(diǎn)溫度。 C、加熱蒸汽壓強(qiáng)500kPa（絕壓）；冷凝器壓強(qiáng)為50 kPa（絕壓） D、各效蒸發(fā)器的總傳熱系數(shù)：K1=1800W/（m2·K），K2=1200W/（m2·K），K3=600W/（m2·K） E、各效蒸發(fā)器中液面的高度為1.2m F、各效加熱蒸汽的冷凝液均在飽和溫度下排出。假設(shè)各效傳熱面積相等，

11、并忽略熱損失。 第三節(jié) 三效蒸發(fā)器得工藝計(jì)算多效蒸發(fā)的工藝計(jì)算多效蒸發(fā)的工藝計(jì)算的主要依據(jù)是物料衡算和、熱量衡算及傳熱速率方程。計(jì)算的主要項(xiàng)目有：加熱蒸氣（生蒸氣）的消耗量、各效溶劑蒸發(fā)量以及各效的傳熱面積。計(jì)算的已知參數(shù)有：料液的流量、溫度和濃度，最終完成液的濃度，加熱蒸氣的壓強(qiáng)和冷凝器中的壓強(qiáng)等。蒸發(fā)器的設(shè)計(jì)計(jì)算步驟多效蒸發(fā)的計(jì)算一般采用試算法。根據(jù)工藝要求及溶液的性質(zhì)，確定蒸發(fā)的操作條件（如加熱蒸氣壓強(qiáng)及冷凝器的壓強(qiáng)），蒸發(fā)器的形式、流程和效數(shù)。根據(jù)生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)，初步估計(jì)各效蒸發(fā)量和各效完成液的濃度。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)假設(shè)蒸發(fā)器各效的壓強(qiáng)，估算個(gè)效溶液沸點(diǎn)和有效總溫差。根據(jù)蒸發(fā)器的焓衡算，求各效的

12、蒸發(fā)量和傳熱量。根據(jù)傳熱速率方程計(jì)算各效的傳熱面積。若求得的各效傳熱面積不相等，則應(yīng)按下面介紹的方法重新分配有效溫度差，重復(fù)步驟（3)至（5），直到所求得各效傳熱面積相等（或滿足預(yù)先給出的精度要求）為止。一、估計(jì)各效蒸發(fā)量和完成液濃度總蒸發(fā)量: 并流加料蒸發(fā)中無(wú)額外蒸汽引出,可設(shè) W=W1+W2+W3=3=3247kg/h 由以上兩式可得:W1=1082kg/h;W2=1082kg/h;W3=1082kg/h;X3=X2= =0.18;X1二、估計(jì)各效溶液的沸點(diǎn)和有效總溫差 設(shè)各效蒸發(fā)室的壓力分別為 由各效的二次蒸汽壓強(qiáng)，從手冊(cè)中查得相應(yīng)的二次蒸汽溫度和汽化潛熱列與下表中: 效數(shù)第一效第二效第

13、三效二次蒸汽壓強(qiáng)Pi/(KPa)2008020二次蒸汽溫度 Ti/()(即下一效加熱蒸汽溫度)二次蒸汽的汽化潛熱(即下一效加熱蒸汽的ri/)（kj/kg）220522752355多效蒸發(fā)中的有效傳熱總溫度差可用下式計(jì)算：有效總溫度差 式中 -有效總溫度差，為各效有效溫度差之和，。-第一效加熱蒸氣的溫度，。-冷凝器操作壓強(qiáng)下二次蒸氣的飽和溫度，。-總的溫度差損失，為各效溫度差損失之和， =/+/+/式中 /- 由于溶液的蒸汽壓下降而引起的溫度差損失，/-由于蒸發(fā)器紅溶液的靜壓強(qiáng)而引起的溫度差損失，/-由于管道流體阻力產(chǎn)生壓強(qiáng)降而引起的溫度差損失，（一）各效由于溶液的蒸汽壓下降所引起的溫度差損失/

14、 杜林規(guī)則（dnhringsrule）:某種溶液的沸點(diǎn)和相同壓強(qiáng)下標(biāo)準(zhǔn)液體（一般為水）的沸點(diǎn)呈線性關(guān)系。 根據(jù)各效二次蒸汽溫度（也即相同溫度壓力水的沸點(diǎn)）和各效完成液的濃度，由氫氧化鈉水溶液的杜林線圖可查的各效溶液得沸點(diǎn)分別為；tA1=1;tA2=1;tA3=; 則各效由于溶液蒸汽壓壓下降所引起的溫度差損失為： =1-1= =100-= =-= 所以 =+=27.9 （二）各效由于溶液靜壓強(qiáng)所因引起的溫度差損失為簡(jiǎn)便計(jì)算，以液層中部點(diǎn)處的壓力和沸點(diǎn)代表整個(gè)液層的平均壓力和平均溫度，則根據(jù)流體靜力學(xué)方程，液層的平均壓力為：式中 蒸發(fā)器中液面和底層的平均壓強(qiáng)，KPa二次蒸氣的壓強(qiáng)，即液面處的壓強(qiáng)，

15、KPa -液層高度g-重力加速度，根據(jù) 由 NaOH水溶液比重圖可得下列數(shù)據(jù):NaOH水溶液密度(Kg/m3) =KPa=KPa=KPa根據(jù)各效溶液平均壓強(qiáng)查得對(duì)應(yīng)的飽和溶液溫度為:=1=根據(jù) = 式中 -根據(jù)平均壓強(qiáng)求取的水的沸點(diǎn)，-根據(jù)二次蒸氣壓強(qiáng)求得水的沸點(diǎn), 所以1= - T=1-1=2= - T=-=3= -T=-=+=（三）流體阻力產(chǎn)生壓降所引起的溫度差損失 取經(jīng)驗(yàn)值1，即，則 故蒸發(fā)裝置得總的溫度差損失為 =+=+3=（四）各效料夜的溫度和有效總溫差由各效二次蒸氣壓力及溫度差損失，即可由下式估算各效料夜的溫度， 各效料夜得溫度為：t1=1+20=1t2=+ =1t3=+8.5=有

16、效總溫度差為 由手冊(cè)查的500KPa氣的溫度為為2113KJ/Kg.所以： =1-=53三 加熱蒸汽消耗量和各效蒸發(fā)水量的計(jì)算對(duì)三效逆流加料流程，沒有額外蒸汽引出或補(bǔ)充時(shí)：D1=W1:;D2=W2;D3=W3對(duì)第三效做熱衡算第二效的熱量衡算為 第一效熱量衡算為 式中-第i效的加熱蒸汽量- 第i效加熱蒸氣的汽化潛熱-第i效二次蒸氣的汽化潛熱-原料液的比熱-水的比熱- 第i效溶液的沸點(diǎn)將數(shù)據(jù)分別代入公式整理得23W3-W2=1565797(a)W3-2311W2+2W1=506134(b)W3+W2-22W1+2113D0= 274994(c)又W1+W2+W3=3247(d) 聯(lián)立(a),(b)

17、,(c),(d)式,解得: =1235kg/h =1036 kg/h =976kg/h D0= 1500 kg/h四、蒸發(fā)器的傳熱面積的估算 任意一效的傳熱速率方程為 式中 -第i效的傳熱速率，W。 -第i效的傳熱系數(shù)，W/（m2, ）. -第i效的傳熱溫度差， Si-第i效的傳熱面積，m2在三效蒸發(fā)中，為了便于制造和安裝，通常采用各效傳熱面積相等的蒸發(fā)器，即 各效蒸發(fā)器的總傳熱系數(shù)：Q1=D1r1= 誤差為，誤差較大，應(yīng)調(diào)整各效得有效溫度，重復(fù)上述計(jì)算過(guò)程。五、有效溫差的再分配 平均傳熱面積: 重新分配有效溫度差: 六、重復(fù)上述計(jì)算步驟計(jì)算各效溶液濃度; ， =0.30計(jì)算各效溶液沸點(diǎn)因?yàn)榈?/p>

18、一效二次蒸汽壓強(qiáng)保持不變,各種溫度差損失可視為衡值，故末效溶液的沸點(diǎn).而溶液的溫度差損失變化不大，不必重新計(jì)算，故有效溫度差為 溫度差重新分配后，各效溫度情況列于下表:效次IIIIII加熱蒸氣溫度，150.21有效溫度差，料夜溫度（沸點(diǎn)），（三）各效焓衡算: 效次IIIIII224622612393268426732652kj/kg將以上的數(shù)據(jù)帶入各效熱量衡算方程，然后計(jì)算得與第一次熱量恒算所得結(jié)果： 計(jì)算的相對(duì)誤差均在0.05允許范圍之內(nèi)股計(jì)算得各效蒸發(fā)面積合理。其各效溶液濃度無(wú)明顯變化不必再算。（四）蒸發(fā)器傳熱面積的計(jì)算 Q1=D1r1=J 誤差計(jì)算得： ；所以誤差允許，取平均傳熱面積:

19、七、計(jì)算結(jié)果效數(shù)123加熱蒸汽溫度()操作壓強(qiáng)pi/ (kPa)2008020溶液沸點(diǎn)ti11完成液濃度(%)30蒸發(fā)水量Wi kg/h12501044953傳熱面積Si m2 第四節(jié) 蒸發(fā)器的主要結(jié)構(gòu)尺寸計(jì)算一、加熱管的選擇和管數(shù)的初步估計(jì)蒸發(fā)器加熱管選?。海?的無(wú)縫鋼管 S-蒸發(fā)器的傳熱面積，m2 L-加熱管長(zhǎng)度，m； d0-加熱管外徑，m；當(dāng)加熱管的規(guī)格與長(zhǎng)度確立后，可由下式初步估算所需管子數(shù)， 因加熱管固定在管板上，考慮管板厚度所占據(jù)的傳熱面積，則計(jì)算時(shí)的管長(zhǎng)應(yīng)用（L0.1）m. 二、循環(huán)管的選擇 外加熱式自然循環(huán)蒸發(fā)器，循環(huán)管的大小可參考中央循環(huán)管式蒸發(fā)器來(lái)決定。中央循環(huán)管式蒸發(fā)器的

20、循環(huán)管截面積可取加熱管總截面積的40%-100%。加熱管的總截面積可按計(jì)算。循環(huán)管內(nèi)徑以表示，對(duì)于加熱面積較小的蒸發(fā)器，應(yīng)去較大的百分?jǐn)?shù)，取加熱管的面積60%，則 對(duì)于加熱面積較小的蒸發(fā)器，應(yīng)選取較大的百分?jǐn)?shù)： 選取管子的直徑為：循環(huán)管管長(zhǎng)與加熱管管長(zhǎng)相同為m。三、加熱室直徑及加熱管數(shù)目的確定 加熱室的內(nèi)徑取決于加熱管和循環(huán)管的規(guī)格、數(shù)目及在管板上的排列方式。 加熱管在管板上的排列方式有三角形排列、正方形排列、同心圓排列。目前以三角形排列居多。 查表3-5，加熱管的管心距 管子按正三角形排列，管束中心線上管數(shù) 初步估算加熱室內(nèi)徑，即 其中 取 。則 查國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)壓力容器公稱直徑表和表3-6 選取

21、加熱室殼體內(nèi)徑以該內(nèi)徑和循環(huán)管外徑作同心圓，在同心圓的環(huán)隙中， 按加熱管的排列方式和管心距作圖 通過(guò)作圖，求得加熱管數(shù)，而初步估算 其相對(duì)誤差 所以誤差不大，計(jì)算合理，所以循環(huán)管的規(guī)格一次選定。四、分離室直徑與高度的確定分離室的直徑與高度取決于分離室的體積，而分離室的體積又與二次蒸汽的體積流量及蒸發(fā)體積強(qiáng)度有關(guān)。分離室體積的計(jì)算式為式中 -分離室的體積，m3; -某效蒸發(fā)器的二次蒸汽量，kg/h; -某效蒸發(fā)器二次蒸汽密度，kg/m3 ， -蒸發(fā)體積強(qiáng)度，m3/(m3.s);。一般用允許值為為方便起見，各效分離室的尺寸取一致。分離室體積宜取其中較大者。蒸發(fā)強(qiáng)度選因?yàn)槟┬w積最大，故分離室體力為

22、 確定了分離室的體積，其高度與直徑符合下列關(guān)系， 利用此關(guān)系確定高度和直徑時(shí)應(yīng)考慮如下原則：(1)分離室的高度與直徑之比。(2)在條件允許的情況下，分離室的直徑盡量與加熱室相同，這樣可使結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單制造方便。(3)高度和直徑都適于施工現(xiàn)場(chǎng)的安放。故選 五、接管尺寸的確定流體進(jìn)出口的內(nèi)徑按下式計(jì)算式中 -流體的體積流量 m3/s ； -流體的適宜流速 m/s ，估算出內(nèi)徑后，應(yīng)從管規(guī)格表格中選用相近的標(biāo)準(zhǔn)管。溶液的進(jìn)出口 對(duì)于并流加料的三效蒸發(fā)，第一效溶液流量最大，各效設(shè)備尺寸一致，根據(jù)第一效溶液流量確定接管。取流體的流速為1.4 m/s；所以取規(guī)格管。加熱蒸氣進(jìn)口與二次蒸汽出口 各效結(jié)構(gòu)尺寸一致二次蒸汽體積流量應(yīng)取各效中較大者。第III效體積流量最大，故 所以取規(guī)格管。（三）冷凝水出口 冷凝水的排出一般